TC4钛合金焊后电子束局部热处理温度场数值模拟

陈芙蓉1，张可荣1，刘方军2，毛智勇2

（1.内蒙古工业大学 材料科学与工程学院 内蒙古 呼和浩特010062；

2.北京航空制造工程研究所 北京 北京100024）

摘要：本文针对航空航天业中应用较广的TC4钛合金，采用ANSYS有限元软件，按照划分单元、逐次计算并逼近真实值的近似计算方法，对该合金电子束焊接及焊后局部热处理的热过程进行计算机数值模拟的可行性研究。结果表明，钛合金电子束焊接过程中焊接热输入较大，焊缝较窄，熔深大。可采用提高电压来增加热输入，从而间接增大焊接深宽比。通过验证，用有限元数值模拟方法得到的焊接及热处理温度场分布规律与实测温度值基本一致。 关键词：ANSYS ; 电子束局部热处理 ; 数值模拟 ; 温度场 中图分类号：TG436.5 文献标识码：A

The numerical simulation of temperature field of post-weld electron

beam local heat treatment in TC4 titanium alloy

CHEN Fu-rong1, ZHANG Ke-rong1, LIU Fang-jun2, MAO Zhi-yong2

(1.College of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot, 010062, China; 2.Beijing aviation manufacturing engineering institute, Beijing, 100024, China)

Abstract：This article aims at TC4 titanium alloy that is an alloy of extensive usage in aviation and spaceflight,

adopts ANSYS software of finite element, and make use of the numerical calculation means of finite element, according to the approximately calculating method of demarcation unit, gradually compute and approach true worth. And the feasibility of calculator' numerical simulation of TC4 titanium alloy that dealed with electron beam welding and the local heat treatment of electron for eliminating stress after welding are researched. The result indicates that, the heat input of titanium alloy of electron beam welding is relative big, welded seam is relative narrow, and the penetration is big. It is feasible that adopts increasing electric voltage increase heat input, thereby increasing the depth-width ratio. By proofing test, the distribution of temperature field that gained by numerical calculation means of finite element, is basically consistent of the measured value.

Key words：ANSYS; electron beam local heat treatment; numerical simulation; temperature field

TC4钛合金（Ti-6Al-4V），是一种α+β两相

3

型钛基合金，属难熔合金，密度4440kg/m，其熔化区间为1540℃~1650℃。TC4钛合金具有中等强度和适用的塑性，可焊性较好，但焊后塑性

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较低，断裂韧度较高。现在对TC4的焊接多采用大线能量热输入的焊接方式，如电子束焊接。对于TC4钛合金焊后存在的残余应力较大的问

收稿日期：

基金项目：内蒙自然基金项目（200308020206） 作者简介：陈芙蓉(1972.1-)，女，内蒙古赤峰人，

蒙古族，副教授，博士。

1

题，可在电子束焊后使用电子束局部热处理。而且这种方法简便易操作，费用低，以此得到了越

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来越广泛的应用。对于国防、航空等部门，TC4钛合金的使用和焊接日益广泛，而针对其焊接和热处理的计算机模拟也方兴未艾。本文针对航空航天业中应用较广的TC4钛合金，采用ANSYS有限元方法，按照划分单元、逐次计算并逼近真实值的方法，对电子束焊接及焊后电子束局部热处

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理的进行计算机数值模拟的可行性研究。

1 温度场有限元模型的建立

1.1 温度场计算模型的建立原则

在进行温度场有限元分析中，首先应把求解域离散化，即把求解域分割为有限个多边形（称之为单元），在每个单元上选择某些节点，以节点的温度作为基本未知量，建立起单元温度插值函数，并以单元的节点温度来表示单元内任意点处的温度，这样整个求解域就由有限个离散单元来代替，而在整个求解区域上连续的温度函数 ( x, y, z, t)也将由有限个单元的温度插值函数所取代，这样就把求解整个区域上连续分布的温度函

[3]

数问题转化为求解有限个单元节点温度问题。 1.2 温度场的变分和空间离散

假设由一封闭曲面S所围成的物体，初始温度为 ( x, y, z)，在其曲面各部分上，分别承受对流、辐射、热流输入和表面温度已知的边界条件，则要求解该物体的温度场，可以归结为寻找满足下列微分方程和定解条件的温度分布函数。其控制方程为:

y, z, t )转变为所有单元的温度场函数。

单元的泛函变分式：

eeTeTKKesRsTRBTeCTerTeCsKessKrs 由e0，得到整体有限元平衡方程：

e1N KKQQCKCeSKrrS

SB KK—总体刚度矩阵；Kr—总体辐射矩阵； Q—边界热源输入形成的总体结点热流矢量；

SQB—内部热生成的总体结点热流矢量；

C —总体热容矩阵；KC—总体对流矩阵；

B .kzkxqky上式还可以表达为： CTKTQ xxyyzz其中kx ,ky, kz—对应 x, y, z,方向的导热系数； 上式是以节点温度为未知量的代数方程组。Ｂ

ｑ—热流强度，也就是用内部热源所表通过有限元离散就把求解微分方程转化为求解代示的每单位体积的热生成率； 数方程组。如果求得有限个单元节点的温度，则

初始条件为：在瞬态分析中，还必须给出初根据单元温度插值函数就可以求出单元内任意点

[4，5]

始时刻的温度分布。x,y,z 处的温度，从而得到所求问题的温度场分布。

t0 当进行瞬态分析时，qBqBC 表示包

t2 对有限元模型的计算求解

2.1 试板单元划分和前处理

实验中采用的母材为TC4钛合金，其化学成分（质量分数，%）为Al 6.41，V 4.15，Fe＜0.5，N 0.032，C 0.035，H 0.0007，O 0.063。采用的接头形式是将300×80×12.5mm的TC4钛合金板沿长度方向电子束熔透形成的对接接头。采用ЭПУ-Қ1中压动式电子束焊机焊接。在本实验研究中，试件焊后电子束局部热处理工艺采用电子配备的扫描线圈进行。

[6]

电子束焊接及热处理参数如表1所示。

表1 TC4钛合金参数

Table 1 Parameters of electron beam local

heat treatment

试 验

电压U/kV 150 150

电子束流I/mA 25 7

聚焦电流I/mA 352 404

焊接速度v/m.min

1 0.5

-1

括比热影响在内的单位体积的热生成率；

将上述微分方程用变分法表示，建立泛函:

222112kxkykzheSSdsV2Scx2zy154f0rSSdsSqSzdsqBdvScSzV5

取泛函的一阶变分，并令其等于零，则有

TV K dVschessdSBSrkrssdSSzqSzsdSVqdV0

T式中： '

xyz电子束焊接 局部热处理

工作距离D/mm 270 270

0kx0 ，K称为导热系数矩阵。 K0ky000kz有限元法的本质是把总体温度场函数( x,

2

电子束焊接时的最高温度为2700℃左右，热处理时的最高温度为800℃左右。

在对试板进行单元划分时，应考虑其后的求过程，划分为利于计算的网格。在焊缝处网格最 密，自热影响区向母材方向网格逐渐稀疏，但仍应采用局部均匀网格。考虑到板厚较大，在板厚度方向上划分为3层。试板有限元网格见图1。

图1 计算温度场的有限元网格模型 Fig1 Finite element mesh for calculation

成来模拟。内部热生成以热生成强度表示，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位时间、单位体积内的热生成强度。焊接热源的移动是通过假设焊缝单元逐步有热生成来实现，直至所有单元依次生热完成。这样，整个焊接过程就可以用焊缝单元逐次热生成来表示。 2.3 计算求解过程

TC4钛合金电子束焊接温度场的计算过程，就是解每一时刻焊接热平衡矩阵的过程，可以采用解大型稀疏矩阵的方法求解。解法应用直接迭代法，基本做法是把第r次迭代的近似值代入方程，作为已知量求第r+1次的近似值，直至精度落在给定范围内。这是一个非常复杂的过程，利用ANSYS有限元软件，可以在较短的时间内实现

[4，5]

焊接温度场的计算求解过程。

划分完成后，应确定材料的热物性物理参数。

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所选的TC4钛合金的热物性参数见表2。

表2 TC4钛合金热物理参数

Table2 Thermal properties of TC4 Ti-alloy

温 度 （℃） 20 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200 1400 1540 1650

比 热 C [J/（kg℃）]

611 624 653 674 691 703 713 725 735 754 771 787 800 80

导热率  [W/（m℃）] e

6.8 7.4 8.7 9.8 10.3 11.8 13.7 14.4 15.8 18.3 21.7 24.5 25.3 25.3

-3

3 温度场的计算结果及验证

利用ANSYS后处理程序，可生成TC4钛合金电子束焊接和热处理过程的实时温度分布云图。利用绘图软件标绘出瞬态过程中热源距始焊位置不同时刻的整体温度分布，也可显示热源在不同位置时，在垂直焊缝方向的瞬态温度分布。还可以显示距始焊位置不同处的热循环曲线及分布。

图2表示焊接到距始焊端150mm处，即焊接到第9s时的瞬态温度分布云图。由于焊接时热源移动较快，且TC4钛合金的导热性较差，因此未加热部分的温度仍为室温，已加热部分处于冷却阶段，温度随时间而下降。

2.2 载荷的确定及加载

由于电子束焊接温度场是瞬态的，热源随时间而移动，在同一时刻，焊缝的不同部位可能处于加热、冷却和未加热等不同状态。考虑到在焊接开始时加热温度变化很快，随后温度变化相对缓慢的情况，在求解热平衡方程时采用变步长的时间积分法。使整个求解过程中，计算温度场的时间步长很小，这样就能够保证应力场计算的收敛性。焊接热源是通过假设焊缝单元内部有热生

图2 热源在距始焊位置150mm处焊接时的

温度场分布云图

Fig2 Temperature distribution welding at

150 mm from starting position

图3表示热处理时在距始焊端150mm处，即热处理过程进行到18s时的瞬态温度分布云图。可以看到电子束局部热处理对加热区以外部分的热影响是很小的。

3

800700600Temperature/℃500400300 336s 338s 346s 354s 400s 480s 5s

图3 热源在距始焊位置150mm处热处理时的

温度场分布云图

Fig3 Temperature distribution heat- treating

at 150mm from starting position

图4表示在距始焊端150mm处，在垂直焊缝的方向上，在焊缝上和距离焊缝15mm处的热循环曲线，即在不同时刻该点的温度值。通过曲线可以清楚地看到焊接的加热、冷却过程。并且距离焊缝不同位置处的温度是随距离增加而递减的。25002000℃1500 weld centre line/er 15mm from weldutar1000epmet5000050100150200250300350Time/s图4 在距始焊位置150mm处焊接时的热循环曲线 Fig4 Weld thermal cycle at 150mm from starting position

图5表示分别在焊缝上和距离焊缝不同位置处在不同时刻的瞬态温度分布。从该图可以看到在336s，也就是在热处理到150mm处时，随着时间的推进，加热向冷却过程转变，热处理温度在各个分布面上都在降低。

4 结论

由上图可见，在距离始焊端150mm处时，焊接时的最高温度分布为2700℃左右，热处理时的最高温度为800℃左右，这都与实测结果基本一致。因为在本实验中，用已知参数焊接，可看到焊缝温度已经达到TC4钛合金的熔点以上，所以可知电子束焊接只要采用合理的焊接参数，即 2001000020406080Distance from weld centre/mm图5 距始焊位置150mm处垂直焊缝不同距离处

热处理时不同时刻的瞬态温度分布 Fig5 Temperature distribution of the joints in EBLPWHT condition at various moments

可一次性焊透厚板。本实验焊接过程用时18s，之后停止加热300S，再开始热处理过程，时间为36s。利用ANSYS有限元软件，可以很好的模拟出热源在不同位置处的温度场分布，并得出距焊缝不同位置、不同时间的温度值。比较实际焊接和热处理过程，数值模拟忽略了部分影响因素，因此在各时间段上的模拟结果比真实值摆动幅度小。但由于本模拟利用的是分时间段逐次逼近，因此所求结果在每个时间段内很难有更细化的分解，而且在各时间段的连接上也不如真实过程那样平滑。这样的结果对后续的应力场求解还是有

一定影响的[7]

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参考文献:

[1] 稀有金属手册(下册)[M],冶金工业出版社,1995.

[2] 焊接学会编,焊接手册(第二版)[M],机械工业出版社,2001. [3] 杨新歧，有限元方法及其工程应用[M]，天津大学材料科学与加

工自动化系，2002.

[4] 陈芙蓉，电子束局部热处理对焊接接头组织和力学性能影响的

研究[D]，天津：天津大学，2002.

[5] 陈芙蓉等，BT20钛合金电子束焊接残余应力三维有限元数值模

拟[J]，焊接学报，2004，1（25）：61-，70.

[6] 张 源，电子束焊接温度场的有限元分析与数值模拟[D]，北京：

航空航天大学，1998.

[7] 陈丙森，计算机辅助焊接技术[M]，机械工业出版社，1999.

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